汽車用碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

文/曲興·中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)

汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)和重要發(fā)展方向，已經(jīng)成為國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，《中國(guó)制造2025》中多次提到汽車輕量化，涉及了輕量化材料、優(yōu)化設(shè)計(jì)、整車輕量化技術(shù)等多個(gè)方面，《節(jié)能與新能源汽車輕量化技術(shù)路線圖》也將汽車輕量化作為發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)之一。國(guó)家多部委也都發(fā)布了多項(xiàng)惠及汽車輕量化產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)和研發(fā)項(xiàng)目。政府的支持為汽車輕量化發(fā)展提供了機(jī)遇，有利于提高我國(guó)汽車輕量化產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高斷裂韌性、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易成形、減振阻尼性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，既能夠滿足部件剛強(qiáng)度、輕量化的設(shè)計(jì)要求，在車輛安全性上也具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，CFRP已成為繼高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）后汽車工業(yè)領(lǐng)域最流行、最具發(fā)展?jié)摿Φ妮p量化材料。

CFRP的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量受到纖維種類、用量、形態(tài)、鋪層方式以及樹脂等多方面因素的影響，表現(xiàn)不一，碳纖維與其他輕量化材料的性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。從整體上講，抗拉強(qiáng)度、拉伸模量，特別是比強(qiáng)度和比模量都比金屬材料顯著提高，這些是CFRP的核心性能優(yōu)勢(shì)。在汽車行業(yè)，一直得到各大汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注。

表1 碳纖維與其他輕量化材料的性能對(duì)比

起初，由于成本高、成形時(shí)間長(zhǎng)，碳纖維僅僅在跑車和少量的昂貴車型上有所應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，原材料的價(jià)格降低，制造工藝優(yōu)化，成形周期縮短，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在其車輛部件上的應(yīng)用越來(lái)越多。并且，各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維車身、零部件的開發(fā)。隨著汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維的不斷研究和應(yīng)用，碳纖維的成本將進(jìn)一步下降，高強(qiáng)、輕質(zhì)的碳纖維增強(qiáng)零部件將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，由于電動(dòng)汽車的輕量化，可以使同樣電池?cái)?shù)量的電動(dòng)汽車行駛更遠(yuǎn)的距離，或者同樣續(xù)航里程的電動(dòng)汽車可以安裝更少數(shù)量的電池，故使得碳纖維在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用前景更為廣泛。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是很理想的汽車覆蓋件用非金屬材料。它的高強(qiáng)度可以在保證汽車的防撞性能的同時(shí)，大大降低車身重量。寶馬是碳纖維應(yīng)用的嘗試者，2009年開始，聯(lián)合三菱麗陽(yáng)和西格里兩家公司，嘗試在其i系車型中采用碳纖維復(fù)合材料。通過(guò)在寶馬i系列車型中的成功嘗試，證明了碳纖維不僅僅適用于小批量車型，也可以應(yīng)用于量產(chǎn)車型中。這也證明了通過(guò)使用碳纖維復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)（用于新能源車尤其是電動(dòng)車）的潛力非常大。2015年，寶馬i3的銷售接近24000臺(tái)，i8的銷售接近5500臺(tái)。寶馬在i系列碳纖維車身及零部件積累的經(jīng)驗(yàn)，成功轉(zhuǎn)移到了寶馬其他的車型中。在2015年歐洲車身會(huì)議上展出的全新寶馬7系中，在B柱、車頂縱梁/前橫梁、門檻梁、中央通道及C柱采用了碳纖維與高強(qiáng)鋼結(jié)合的方式，提高了車身的扭轉(zhuǎn)剛度，并降低了車身的重量。2016年，寶馬7系（圖1）實(shí)現(xiàn)了6.4萬(wàn)臺(tái)的銷售量，長(zhǎng)期的銷售目標(biāo)有望達(dá)到10萬(wàn)臺(tái)。

寶馬對(duì)i3的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所涉及的專利進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行了重要的專利保護(hù)。通過(guò)表2可以看出，三菱麗陽(yáng)作為碳纖維供應(yīng)商，比較重視產(chǎn)業(yè)鏈上游的專利布局；西格里作為復(fù)合材料的供應(yīng)商，專利申請(qǐng)主要集中在設(shè)計(jì)、成形工藝和汽車部件領(lǐng)域；而寶馬公司作為整車廠，在連接、質(zhì)量檢測(cè)、修補(bǔ)和回收方面有大量的專利布局，并在碳纖維束、碳纖維織物方面也申請(qǐng)了少量的專利。

圖1 寶馬7系車身碳纖維應(yīng)用

表2 寶馬i3碳纖維專利申請(qǐng)情況

國(guó)內(nèi)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車身目前還停留在小批量試制階段。奇瑞艾瑞澤7（圖2）和江蘇奧新e25都生產(chǎn)了全碳纖維的車身，輕量化效果明顯。

圖2 奇瑞艾瑞澤7全碳纖維車身

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其良好的輕量化優(yōu)勢(shì)，還廣泛應(yīng)用于輪轂、制動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)外飾、發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中。

⑴碳纖維輪轂：采取碳纖維輪轂的車型見(jiàn)表3，碳纖維能夠大大減少輪轂的質(zhì)量，從而有助于減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于簧下質(zhì)量每減少1kg，輕量化效果約等于簧上質(zhì)量減少6kg，所以碳纖維輪轂會(huì)顯著地改善車輛的操控性能。同時(shí)，碳纖維材質(zhì)堅(jiān)固、韌性好，碳纖維輪轂有利于轉(zhuǎn)向的反應(yīng)和路感的傳遞。

⑵制動(dòng)系統(tǒng)：碳纖維在制動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)中同樣有著廣泛的應(yīng)用。碳纖維制動(dòng)盤具有出色的耐高溫性，可承受2500℃的溫度，并且還能保證性能的穩(wěn)定，保時(shí)捷918spider采取了碳纖維制動(dòng)盤，可以在50米內(nèi)將車速?gòu)?00km/h降低到50km/h；碳纖維傳動(dòng)軸不僅可以減輕40%以上的重量，還具有非常好的耐久性，豐田86的碳纖維傳動(dòng)軸僅重5.53kg，和鋼制傳動(dòng)軸相比，減重50%。

⑶發(fā)動(dòng)機(jī)周邊：碳纖維復(fù)合材料作為汽車進(jìn)氣系統(tǒng)材料，一方面可減輕重量，達(dá)到輕量化的效果；另一方面，碳纖維材料易加工成各種曲面形狀，且表面較為光滑，碳纖維進(jìn)氣歧管（圖3）可有效提高進(jìn)氣效率。

圖3 碳纖維進(jìn)氣歧管

表3 采取碳纖維輪轂的車型

⑷傳動(dòng)系統(tǒng)：由于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的受力情況相對(duì)復(fù)雜，要承受很大的扭矩。碳纖維由于其較高的比強(qiáng)度和較低的比模量，又具有各向異性，可以很好地替代傳統(tǒng)金屬材料的傳動(dòng)軸。并且，碳纖維傳動(dòng)軸可以減輕50%以上的重量，還具有優(yōu)秀的疲勞性和耐久性。

車用碳纖維的成形工藝

傳統(tǒng)的碳纖維成形工藝多源自航空航天領(lǐng)域，品種較多，批量較小，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂類碳纖維零部件的固化周期通常超過(guò)4小時(shí)，無(wú)法滿足汽車行業(yè)大批量、低成本的要求。因此，針對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)，國(guó)際上主流的碳纖維企業(yè)和汽車企業(yè)聯(lián)合開發(fā)出眾多快速成形工藝。目前，應(yīng)用比較多、具有發(fā)展?jié)摿Φ奶祭w維成形工藝包括RTM、PCM、SMC、LFT等等。

⑴快速RTM成形：RTM成形工藝是最主要的液體模塑成形技術(shù)，它成形周期短、制品纖維含量高、表面光潔度好、尺寸精度高、成本相對(duì)較低，但由于傳統(tǒng)RTM工藝在成形速度上無(wú)法滿足汽車工業(yè)的要求，因此，針對(duì)汽車工業(yè)開發(fā)了快速RTM成形技術(shù)，成為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳纖維部件的首選成形技術(shù)。

⑵高壓RTM成形：高壓RTM是通過(guò)增大注射壓力提升注射速度的有效方法。采用該工藝注射壓力能夠達(dá)到幾千兆帕，保證了較高的合模速度和壓制速度，大大縮短部件成形時(shí)間，提高了工藝效能。寶馬i3車身主要采取的就是高壓RTM成形技術(shù)，固化時(shí)間縮短到5分鐘以內(nèi)，并且零部件數(shù)量?jī)H為傳統(tǒng)金屬件數(shù)量的1/3。

⑶PCM成形：PCM成形是把沖壓后的碳纖維件半成品放入模具，然后通過(guò)加熱加壓固化的方式成形。由于制品內(nèi)纖維取向性好，因此制品的強(qiáng)度、剛度相對(duì)較高，已成為車用碳纖維近年來(lái)應(yīng)用比較多的成形工藝之一。但是熱固性碳纖維復(fù)合材料的敏感分解溫度比其固化溫度高很多，如何回收將是熱固性碳纖維發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

⑷SMC模壓成形：SMC廣泛應(yīng)用于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，成形效率高，表面質(zhì)量好，成形周期短，成本低，適合大批量生產(chǎn)。目前，SMC工藝在碳纖維成形方面，主要用于片狀短切纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)，由于纖維的非連續(xù)性，制品強(qiáng)度不高，且強(qiáng)度具有面內(nèi)各向同性特點(diǎn)。而碳纖維的潤(rùn)濕性相對(duì)不好，需要對(duì)碳纖維進(jìn)行必要的表面處理，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)濕分散劑能夠有效提高碳纖維在樹脂糊中的潤(rùn)濕性和均勻性。

⑸LFT成形：LFT成形工藝具有優(yōu)異的成形加工性，成形率高、成品率高，且設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、工藝成本較低，制品內(nèi)部由于纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)而形成骨架結(jié)構(gòu)，使得制品具有較好的抗沖擊性和剛度，因此LFT制品可用于受力較大的車體部件。LFT已經(jīng)在汽車車身上獲得了廣泛應(yīng)用，也是具有很大應(yīng)用潛力的成形工藝。

結(jié)束語(yǔ)

隨著寶馬i3、i8車型的相繼量產(chǎn)，讓人們對(duì)碳纖維在量產(chǎn)車型上的廣泛應(yīng)用有了充分的信心。國(guó)際主流車企和材料企業(yè)共同開發(fā)了適用于高性能碳纖維的多種新型快速成形工藝。根據(jù)中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)在2016年出版的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》預(yù)測(cè)，碳纖維復(fù)合材料到2030年，無(wú)論是成本上還是生產(chǎn)周期都會(huì)得到大幅度下降，將會(huì)達(dá)到目前的1/3左右。這將給我國(guó)碳纖維行業(yè)帶來(lái)巨大的機(jī)遇。當(dāng)然，碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，是涉及到材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、快速成形工藝、連接技術(shù)、回收技術(shù)等的系統(tǒng)工程，需要跨產(chǎn)業(yè)、跨學(xué)科的共同發(fā)展。